Бройдо В.Л., Ильина О.П. Архитектура ЭВМ и систем (2006) (1186249), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Через окна для создания электронно-дырочных переходов нужной (п- или р-) полярности проводится диффузия' материалов-доноров или акцепторов-электронов. Так как кремний — четырехвалентный химический элемент, то для образования р-областей используются трехвалентные материалы (бор, галлий, алюминий), а для создания и-областей — пятивалентные материалы (сурьма, мышьяк, фосфор). Весьма перспективна разработанная в университете Буффало технология использования «самоорганизующихся» химических веществ — материалов с микроскопическими структурами («квантовыми точками») при изготовлении полупроводниковых приборов.
По данным исследователей, в названных веществах даже при комнатной температуре самопроизвольно происходит реакция, приводящая к созданию регулярных микроскопических структур с ячейками диаметром 0,04 мкм (механизм образования таких структур подобен образованию эмульсии в жидкости). Параметры транзисторов зависят от масштаба технологического процесса их изготовления (мааатаба технологии), который непрерывно уменьшается.
Еще пару лет назад использовались технологии 0,15-0,11 мкм, сейчас уже 0,09 мкм, а в 2005 году ожидаются технологии 0,065 мкм. В 2003 году концерн 1ВМ предложил комбинированную микросхему, в которой на одну и ту же подложку «кремний на изоляторе» (501) помещают одновременно и биполярные, и полевые транзисторы. Такая схема обладает меньшим энергопотреблением, а комбинированные чипы по технологии 0,065 мкм намечены к выпуску в 2005 году.
Уменьшение размеров транзисторов повышает плотность их размещения, уменьшаег паразитные индуктивности и емкости электродов и позволяет повысить рабочую частоту микросхемы. Но при этом миниатюризация транзисторрв (в ряде случаев толщина изолирующих слоев в транзисторе сопоставима с размерами атомов) приводит к росту паразитных токов утечки, что, в свою очередь, повышает энергопотребление и снижает устойчивость работы схемы.
Снижение напряжения питания схемы уменьшает разогрев схем только частично, а мощность токов утечки может достигать сотен ватт. Уменьшение токов утечки достигается следующими способами: д использованием медных проводников (вместо имеющих большее удельное электрическое сопротивление алюминиевых); ' В последние годы вместо диффузии используется метод ионной имплантации нли нон- Ф ного легнровання. В этом процессе пары легнрующего вещества ноннэнруются н разгоняются в сильном электрическом поле для проникновения через микродыркн в полупроводник. 104 Глава 6. Логические основы построения вычислительной машины С3 применением технологии напряженного (растянутого) кремния — з1га(пед о1 (увеличение расстояния между атомами кристаллической решетки уменьшает удельное электрическое сопротивление).
ПРИМЕЧАНИЕ В современных микросхемах толщина изолирующего слоя из диоксида кремния (660з) составляет всего 1,2 им, то есть имеет толщину примерно пяти атомов, то ток утечки сравнительно велик и тепловыделение значительное (ло оценкам экспертов почти 40 % тепловыделения обусловлено утечками). Для улучшения электрических характеристик фирма 1лге( намерена заменить оксид кремния оксинитридом кремния (51ОХ) с другой диэлектрической проиицаемостью. Новая технология (под кодовым номером 1266) с масштабом 0,045 мкм на базе 300 мм подложек, медных соединений и напряженного кремния намечено освоить в 2007 году. В таблице 6.2 приведены кодовые номера технологических процессов и их неко- торые характеристики.
Таблица 6.2 Кодовые номера технологических процессов изготовления транзисторов Электронные и логические схемы некоторых базовых компонентов компьютера Логические операции АХ)), ОЕ и НОТ довольно просто технически выполняются на любых системах элементов: и на электронных лампах, и на дискретных полупроводниковых элементах, и в интегральных схемах. Существуют многочисленные справочники, позволяющие выбрать подходящий вариант их технической реализации.
305 Электронные н логические схемы некоторых базовых компонентов компьютера ПРИМЕЧАНИЕ Эдесь и далее будем считать, что к1ь представляется наличием положительного импульса, а «0» — его отсутствием. Простейшие принципиальные электрические схемы ОК и АХР на резистор- но-диодных элементах и схема НОТ на биполярных транзисторах показаны на рис. 6.7, а, б, в соответственно. Т=е+Ь+с г= вьс Рис. В.т. Схемы ОН, АМО, МОТ на диодах и биполярном транзисторе Пояснения к схеме ОК: положительный импульс на выходе возникает при появлении положительного импульса на любом (а, Ь, с) входе, так как внутреннее сопротивление диода в прямом направлении мало (много меньше Л). Пояснения к схеме АЫР: положительный импульс на выходе возникает только при одновременном наличии положительных импульсов на всех трех (а, Ь, с) входах.
При отсутствии хотя бы одного входного импульса соответствующий ему диод будет открыт и замкнет питающее напряжение +Е через внутренние сопротивления диода и источника входного сигнала (они много меньше Я) на кземлюь. Пояснение к схеме НОТ: при подаче на вход (базу) прп-транзистора положительного импульса триод откроется и на выходе (коллекторе) напряжение с высокого снизится практически до нуля, На рис.
6.8 показана схема НОТ на полевых КМОП-транзисторах транзисторно- транзисторной технологии. Пояснение к схеме ХОТ: при подаче положительного импульса на вход (а) транзистор Т, с каналом р-типа запирается, а транзистор Т, с каналом п-типа открывается и на выходе (Ь) появляется отрицательный импульс. На рис. 6.9 показана комплементарная схема )чАЬП) на полевых транзисторах, выполненная по транзисторно-транзисторной технологии. 106 Глава 6. Логические основы построения вычислительной машины Рис.
6.6. Схема МОТ на полевых КМОП-транзисторах +Ь+с Рис. 6.9. Схема МАМО нв полевых КМОП-транзисторах При подаче трех входных сигналов (а, Ь, с), из которых хотя бы один будет низким (код еОь), на выходе схемы (у") будет высокое напряжение (код ч1ь). Логическая таблица истинности для этой схемы: 107 Электронные и логические схемы некоторых базовых компонентов компьютера Действительно, если любой входной сигнал будет низким, соответствующий ему транзистор с проводимостью и-типа (Тн Т„Тз) в последовательной цепи будет закрыт, а соответствующий ему транзистор с проводимостью р-типа (Т„Ть Тв) в параллельной цепи будет открыт, и напряжение +Е пройдет на выход у".
Только если все три входных сигнала будут высокими (код «1»), на выходе будет низкое (нулевое) напряжение (код «О»). Последовательная цепь из транзисторов с проводимостью п-типа будет иметь низкое сопротивление (все транзисторы открыты), а в параллельной цепи из транзисторов с проводимостью р-типа все транзисторы будут закрыты и на выходу пройдет нулевой потенциал «землиги по отношению к напряжению «-Е зто будет низкое напряжение (код «О»). Как уже отмечалось, в больших интегральных схемах с целью унификации их структуры синтез логических и вычислительных схем выполняются на базе только одного логического «уникального» оператора ХОК, ХАХ1) или ХОКАХП.
Но каждый из уникальных операторов структурно легко реализуем на основе базовых, и наоборот каждый базовый операнд легко конструируется из уникальных. На рис 6.10 показаньс О логическая конструкция схемы ХАХ1) на основе схем АХ() и ХОТ, О стандартные изображения логических схем ХАХ1) и ОК, О логические конструкции схем ХОТ, АХ1) и ОК на основе схем ХАХП.
аЬ а+Ь Рис. 6.10. Взаимные конструкции логических схем Реализация АХ()„ОК и ХОТ на основе уникальных операторов используется при логическом синтезе вычислительных схем, ибо для базовых операторов процедуры формализованного логического синтеза разработаны наиболее подробно и конструктивно. Среди многих элементарных схем в компьютере наибольшее распространение получила схема триггера — статического запоминающего и логического элемента. 1ОВ Глава 6. Логические основы построения вычислительной машины На триггерах строятся системы статической памяти, регистры, счетчики, делители частоты и еще множество других компьютерных схем. Триггер — элемент, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний, условно именуемых состояниями «0» и «1».
Триггер имеет также два выхода: ~2 выход «0» (иногда именуемый г)-выходом); И выход «1» (именуемый иногда д-выходом). Если триггер находится в состоянии «0», то у него на выходе д «высокое» напряжение (порядка нескольких вольт или даже меньше), на выходе ф «низкое» (обычно нулевое) напряжение, если триггер находится в состоянии «0», то напряжения распределены наоборот. Триггера могут иметь раздельные входы: С) К (Кезег) — вход установки «0»; ьг Я (Бег) — вход установки «1». Каждый вход устанавливает триггер в соответствующее состояние, такие триггеры часто называют Я-5-триггерами. Триггеры могут иметь счетный вход Т (год1е, релаксатор), очередной импульс «1» на счетном входе изменит состояние триггера.
Такие триггеры часто называют Т-триггерами. Триггер, установленный в какое либо состояние, сохраняет его до тех пор, пока импульс, поданный на один из входов, не изменит зто состояние. Логические схемы Я-5- и Т-триггера показаны на рис. 6.11. Рис. 6.11. Логические схемы: в — П-З-триггера, б — Т-триггера Проследив напряжения на входах и выходах триггера, можно видеть, что его состояние статически поддерживается его напряжениями.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
